更小+更強(qiáng)的機(jī)器人微波驅(qū)動(dòng)技術(shù)
據(jù) ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 科技分析，近些年來(lái)，隨著社會(huì)需求的不斷提高，機(jī)器人已成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分，并且在不同的領(lǐng)域 扮演著重要的角色 。
在20世紀(jì)50年代，第一代以液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主體的工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世。而后，隨著機(jī)電技術(shù)與信息技術(shù)的開(kāi)展，以機(jī)電系統(tǒng)為主體的工業(yè)機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，包括醫(yī)療機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、仿生機(jī)器人及仿人機(jī)器人在內(nèi)的不同種類機(jī)器人產(chǎn)生的工業(yè)升級(jí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)社會(huì)的全面改造。
根據(jù)IFR的統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)機(jī)器人的年安裝量排名第一，達(dá)到16.8萬(wàn)臺(tái)，超過(guò)了第2~15名的總和，是十年前的7倍有余（2.3萬(wàn)臺(tái)）。隨著我國(guó)工業(yè)化程度的不斷加深，對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高。
一、現(xiàn)階段機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)技術(shù)概況
機(jī)器人現(xiàn)在采用的驅(qū)動(dòng)方式仍然以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)最為成熟，可選的型號(hào)最多，有大量商品化的專用控制器件可以選擇。
除電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，機(jī)器人也可以采用氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電磁線圈直驅(qū)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電活性材料（介電彈性體、離子交換聚合金屬材料等）變形驅(qū)動(dòng)、熱活性材料（形狀記憶材料、熱脹差異復(fù)合材料）變形驅(qū)動(dòng)等等。
相對(duì)而言，壓電驅(qū)動(dòng)的精度最高，可用于超精密系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)；熱致變形的響應(yīng)偏慢，但驅(qū)動(dòng)力大，且可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)元件與結(jié)構(gòu)元件的一體化。此外，如果僅僅是在兩個(gè)狀態(tài)之間切換驅(qū)動(dòng)，也可以采用電磁鐵、雙金屬片、流體膨脹擠壓器件變形、形狀記憶合金、利用磁性材料居里點(diǎn)失磁等簡(jiǎn)易的驅(qū)動(dòng)形式，將使器械的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，控制也極為方便。尤其是雙金屬片、流體膨脹、形狀記憶合金等溫敏元件，在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)也相當(dāng)于檢測(cè)了環(huán)境溫度（只有當(dāng)溫度超過(guò)閾值時(shí)器件才能變形到預(yù)期程度），實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)一體化。
此外，還有磁、光、超聲波、靜電、濕度改變等無(wú)線致動(dòng)方式。
磁驅(qū)動(dòng)的基本原理是在被控器件周圍布置高強(qiáng)度電磁場(chǎng)，被控器件需為鐵磁型材料，利用勵(lì)磁器件的磁場(chǎng)變化驅(qū)動(dòng)和控制這些內(nèi)含鐵磁型材料的器件；由于合成磁場(chǎng)可順利獲得各路電路產(chǎn)生的分磁場(chǎng)精準(zhǔn)定量控制，因此被控器件可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的預(yù)期動(dòng)作和準(zhǔn)確定位。
在各種無(wú)線致動(dòng)方式中，磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)在開(kāi)展最為成熟，面向醫(yī)療行業(yè)已完成多項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，有望在未來(lái)十年里走入臨床應(yīng)用。但其缺點(diǎn)是需要在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的局部環(huán)境周圍布置眾多的勵(lì)磁器件，當(dāng)環(huán)境空間不允許布置這些勵(lì)磁器件時(shí)，無(wú)法采用磁驅(qū)動(dòng)。
光致動(dòng)是最近幾年剛剛興起的研究方向，利用液晶聚合物等材料在光照下引起的分子網(wǎng)絡(luò)的改變實(shí)現(xiàn)器件的宏觀變形，或者利用材料在光照后的熱脹和氣液相變等實(shí)現(xiàn)變形致動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的超小型化。
超聲波致動(dòng)是利用器件在超聲波作用下的機(jī)械諧振來(lái)推進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
靜電致動(dòng)是直接利用電荷之間的庫(kù)侖力來(lái)致動(dòng)，由于庫(kù)侖力對(duì)距離很敏感，因此這種驅(qū)動(dòng)方式經(jīng)常利用正反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)作用面的陸續(xù)在收緊，再利用液壓放大結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)作用力的放大。
濕度驅(qū)動(dòng)是利用材料在不同濕度下膨脹的不同實(shí)現(xiàn)變形調(diào)節(jié)，但很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的變形控制。
總體上，上述的無(wú)線驅(qū)動(dòng)方式還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)際的工程應(yīng)用，但未來(lái)在某些特定場(chǎng)合具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)。
此外，還有噴射推進(jìn)形式，可利用噴射高速水流或氣流的反作用力有助于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；也可利用機(jī)器人體內(nèi)存儲(chǔ)的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生高壓氣體，再?gòu)奶囟ǖ姆较驀姵?，從而讓機(jī)器人沿著預(yù)期方向運(yùn)動(dòng)。
近年來(lái)出現(xiàn)的離子推進(jìn)也屬于噴射推進(jìn)方式，其基本原理是將空氣等工質(zhì)電離，再利用強(qiáng)電場(chǎng)將離子加速噴出取得反作用力；雖然離子推進(jìn)的推力小，但其所需的工質(zhì)質(zhì)量小，適于研制具有超長(zhǎng)續(xù)航能力的輕質(zhì)飛行機(jī)器人。
二、微波驅(qū)動(dòng)技術(shù)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的新中國(guó)方案
針對(duì)上述驅(qū)動(dòng)方式尚不能勝任的一些特殊場(chǎng)景，如封閉非透明結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的變形控制、微波消融治療與機(jī)器人的聯(lián)合工作等，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）機(jī)器人研究所軟體機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制了一款直接利用微波驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，為機(jī)器人驅(qū)控給予了一種全新的方式，也是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的最新中國(guó)方案。
與其他技術(shù)相比，直接利用微波驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人無(wú)需攜帶任何電類器件（如電池、控制器等），這樣，機(jī)器人的尺寸就可能更加小巧，機(jī)器人的環(huán)境耐受力也會(huì)更強(qiáng)（機(jī)械部件的環(huán)境耐受力普遍高于電子器件），從而使機(jī)器人有望工作在環(huán)境更為殘酷的場(chǎng)合，如高壓、高輻照等場(chǎng)合。微波對(duì)眾多材料優(yōu)異的穿透能力，也使其可以直接驅(qū)動(dòng)封閉結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的器件變形動(dòng)作，執(zhí)行特定任務(wù)，尤其是針對(duì)非透明結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，光致動(dòng)無(wú)法勝任；若封閉結(jié)構(gòu)體的四周沒(méi)有足夠空間來(lái)布置強(qiáng)力的勵(lì)磁器件，則磁驅(qū)動(dòng)也不能勝任，只有微波驅(qū)動(dòng)有望實(shí)現(xiàn)這一功能。
當(dāng)然直接利用微波驅(qū)動(dòng)尚有不完善地方。
現(xiàn)在采用的微波源功率還很高，后續(xù)要降低驅(qū)動(dòng)器件對(duì)功率的要求，使其可用于醫(yī)療等行業(yè)。此外，現(xiàn)在使用的微波源傳輸方向還比較發(fā)散，后續(xù)可利用相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)微波的定向傳輸和在遠(yuǎn)場(chǎng)的聚焦。
三、機(jī)器人核心零部件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度
當(dāng)前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人核心零部件國(guó)產(chǎn)化水平不一，如前所述，機(jī)器人領(lǐng)域包含甚廣，在傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，四大家族（日本發(fā)那科、日本安川、瑞士的ABB以及德國(guó)庫(kù)卡的合稱）仍然具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占據(jù)中國(guó)工業(yè)機(jī)器人一半以上的市場(chǎng)份額。
但我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)成長(zhǎng)也非常迅速，如蕪湖的埃夫特和南京的埃斯頓，開(kāi)展勢(shì)頭也非常好，而且已研發(fā)出具有核心技術(shù)的關(guān)鍵零部件，如RV減速器、運(yùn)動(dòng)控制器等。
我國(guó)本土也有一批企業(yè)布局了機(jī)器人關(guān)鍵零部件，如伺服電機(jī)、高精度傳感器、諧波減速器、運(yùn)動(dòng)控制卡、機(jī)器人末端專用的執(zhí)行器等，在性能指標(biāo)上已接近或達(dá)到日本及歐美企業(yè)水平，現(xiàn)在主要差距是由材料性能和制造精度帶來(lái)的精度保持問(wèn)題，但隨著國(guó)家對(duì)制造業(yè)關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)的高投入以及芯片國(guó)產(chǎn)化背景的輻射效應(yīng)，這一差距會(huì)不斷減小。但應(yīng)該提高國(guó)撥經(jīng)費(fèi)的使用效率和使用的精準(zhǔn)性，進(jìn)一步強(qiáng)化由一線企業(yè)和終端用戶提出研發(fā)目標(biāo)，使研發(fā)成果更加實(shí)用。
四、行業(yè)未來(lái)開(kāi)展展望
《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開(kāi)展規(guī)劃》文件中，對(duì)產(chǎn)業(yè)開(kāi)展提出的規(guī)劃是：到2025年，我國(guó)成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地。一批機(jī)器人核心技術(shù)和高端產(chǎn)品取得突破，整機(jī)綜合指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，關(guān)鍵零部件性能和可靠性達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平。
第一時(shí)間，在國(guó)家層面應(yīng)該統(tǒng)籌規(guī)劃研發(fā)經(jīng)費(fèi)資源，避免各地區(qū)研究組織的重復(fù)及同類研發(fā)（我國(guó)各地區(qū)創(chuàng)建的機(jī)器人相關(guān)的研究組織及具有研發(fā)能力的企業(yè)數(shù)以千計(jì)），借鑒兩彈一星舉全國(guó)之力做一件大事的成功先例，一定可以突破機(jī)器人產(chǎn)業(yè)相關(guān)的各項(xiàng)卡脖子技術(shù)。
其次、注重學(xué)術(shù)引領(lǐng)技術(shù)。微波驅(qū)動(dòng)以及磁、光、超聲波、靜電、濕度等其他無(wú)線致動(dòng)方式，現(xiàn)在與實(shí)際的工程應(yīng)用還有差距，但學(xué)術(shù)總歸要引領(lǐng)技術(shù)的開(kāi)展，尤其是驅(qū)動(dòng)方式的變革，往往對(duì)工業(yè)產(chǎn)生翻天覆地的影響。如300年前的蒸汽驅(qū)動(dòng)技術(shù)，給人類帶入了工業(yè)化時(shí)代；200年前電機(jī)驅(qū)動(dòng)誕生，將人類帶入電氣時(shí)代，也引發(fā)了第二次工業(yè)革命。幾十年前，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)使人類可以操縱單個(gè)原子，更加直觀地感受那不可思議的微觀粒子量子世界。
當(dāng)然，最重要的仍然是縮短與國(guó)外廠商之間的技術(shù)差距。《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開(kāi)展規(guī)劃》中提到，要“補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)開(kāi)展短板。有助于用產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，補(bǔ)齊專用材料、核心元器件、加工工藝等短板，提升機(jī)器人關(guān)鍵零部件的功能、性能和可靠性；開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制軟件、核心算法等，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能和智能化水平?！?br/>
在良好的內(nèi)外部因素共同支持下，未來(lái)行業(yè)的優(yōu)質(zhì)開(kāi)展可以期待。
關(guān)注微博
關(guān)注微信
關(guān)注公眾號(hào)
關(guān)注抖音號(hào)